【摘 要】
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随着智能家居的普及和人工智能的崛起,语音识别正在革新人机交互的模式。作为模拟信号与数字信号的接口,模数转换器（ADC）是语音识别中不可缺少的硬件组成。远场语音识别需要ADC在k Hz级信号带宽内具有高分辨率。基于过采样和噪声整形技术的Σ-Δ调制器具有高分辨率的特性,适用于中低频高分辨率应用。为满足在复杂远场嘈杂环境中精准完成语音识别的高信噪失真比需求,本文旨在设计一款18位分辨率,110d B信噪
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随着智能家居的普及和人工智能的崛起,语音识别正在革新人机交互的模式。作为模拟信号与数字信号的接口,模数转换器（ADC）是语音识别中不可缺少的硬件组成。远场语音识别需要ADC在k Hz级信号带宽内具有高分辨率。基于过采样和噪声整形技术的Σ-Δ调制器具有高分辨率的特性,适用于中低频高分辨率应用。为满足在复杂远场嘈杂环境中精准完成语音识别的高信噪失真比需求,本文旨在设计一款18位分辨率,110d B信噪失真比的高精度Σ-Δ调制器。本文聚焦于远场语音识别的高信噪失真比需求,设计并实现了一款高精度四阶前馈Σ-Δ调制器。为了提高调制器的精度:（1）针对DAC电容阵列失配,本文提出了基于查找表的原位校准方案,该方案不需要额外的模拟硬件,不需要重新配置Σ-Δ调制器来进行校准,也不需要馈入精确的输入信号就可以实现DAC失配校正,降低DAC失配引起的本底噪声和非线性。（2）第一级积分器的性能对调制器有很大影响,本文设计了带斩波稳定的高增益高带宽自举型运放,降低了有限增益和有限带宽引入的非线性,利用斩波调制有效消除了失调电压和低频噪声;设计了带时钟馈通补偿的栅压自举开关作为第一级积分器的采样开关,通过在辅助采样-保持支路引入与主开关方向相反的时钟馈通补偿主开关,降低了开关非线性带来的失真。同时针对传统单环高阶前馈结构的稳定性问题,提出了局部反馈与负前馈相结合的系统零极点优化方案,有效提高了调制器的稳定性。本文基于Matlab对Σ-Δ调制器进行了系统级建模,确定了调制器的系统结构、积分器增益系数、前馈系数、反馈系数和子模块性能参数要求;基于TSMC 28nm CMOS工艺在Cadence平台完成电路和版图设计。版图后仿真结果表明,调制器在5.12MHz采样频率下,20k Hz信号带宽内,信噪失真比达到107.9d B,有效位数17.63bits,Fo MSNDR为176.3d B。满足远场语音识别高信噪失真比的要求,达到了预期设计目标。
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